EMI电源滤波器的设计

16
5.2.3 滤波器的主要特性
滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、 频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频 率特性等。 额定电压 指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器 的电压过高，会使内部电容损坏。 额定电流 指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所 允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其 允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率 有关：工作频率越高，其允许电流越小。
U o ( j ) 衰减系数= 20 lg (单位dB) U i ( j )
式中：U o —— 滤波器的输出信号， U—— 滤波器的输入信号， i 信号的角频率。 ——
20
5.2.4 滤波器的分类 按滤波器的作用对象分类
根据滤波器的作用对象可以分为电源滤波器和信 号滤波器。
21
滤波器的分类
由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通 过，所以它与常规滤波器有很大的不同。 (1) 电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安 装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单 等优点。
15
(2) 电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能 在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要 小，以保证最大传输效率。 (3) 由于电磁干扰的频率是20Hz到几十GHz，故 难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路。 (4) 要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比 较高的衰减性能。 (5) 干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干 扰滤波器出现饱和效应。 (6) 电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范 围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干 扰滤波器很难工作在阻抗匹配的条件下。
28
29
低通滤波器 ：它是最常用的一种电磁兼
容滤波器，主要用在干扰信号频率比工作 信号频率高的场合。电源线滤波器也是低 通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对 其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤 波器的频率特性如下图所示，其中ωC为截 止频率。
30
31
5.2.6 低通滤波器的分类
常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的， 电容并联在滤波器的信号线与信号地线之间(滤除 差模干扰电流)或信号线与机壳地或大地之间(滤 除共模干扰电流)，电感串联在要滤波的信号线上。 按照电路结构分，有单电容型(C型)、单电感型(L 型)、Γ型和反Γ型、T型和Π型。不同结构的滤波 电路主要有两点不同： (1) 电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰 减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。
22
23
按照对不需要的信号能量的抑制方式分类
按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分 为反射式滤波器和吸收式滤波器。
5.2.5 反射式滤波器 带阻滤波器
带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此频带内可 能产生电磁干扰)内的能量进行衰减的一种滤波器。 其频率特性如下图所示，其中ωC1和ωC2为截止频 率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间 的抑制器件。
第5章 电磁干扰滤波器
刘 洋 应用物理教研室
1
滤波器的特性
• 滤波是抑制传导干扰的一种重要方法 • 采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。 • 滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、 电感和电容构成的一种网络。
2
电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一 个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如 何会决定整个电器设备是否能够正常工作。但因 为电磁兼容滤波器的设计涉及的知识面非常广， 设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的 事情。
I L (S )
频率特性为 A( j ) U L ( j ) jL I L ( j ) 对数幅频特性为
5.1 干扰的分类
5.1.1 按噪声产生的原因分类 放电噪声
主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大 功率开关触点断开等放电产生的噪声。
3
高频振荡噪声
主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直 流—交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。
浪涌噪声
主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电 流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等 设备产生涌流引起的噪声。 这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认 真对待，而其中尤以各类开关通、断电时所产生 的干扰最难以抑制或消除。
7
在这个地电压的驱动下产生电流；第三
从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产 生影响，只有当共模电流转变为差模电流(电压) 时，才会对电路产生影响，这种情况发生在电路 不平衡的情况下。 另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电 缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电 磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他 设备造成干扰。
12
脉冲列
脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲 宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点 分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪 声呈现一定的周期性，能量较大，一般较难消除。 噪声中的主要能量是由干扰引起的。 • 消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要 消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不 同的噪声类型，设计或选用不同的防干扰滤波器。
4
5.1.2 按噪声传导模式分类
对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共 模噪声。
差模噪声
又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中也称其 为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所 示，噪声往返于两条线路间，N为噪声源，R为受 扰设备，UN为噪声电压，噪声电流IN和信号电流 IS的路径在往返两条线上是一致的。
35
对数幅频特性为：20 lg A( ) 20 lg 1 20 lg C C
显然，随着频率 = 2π f
滤波器的输出电压衰 减逐渐增加，起到了 低通滤波效果。其输 入输出特性如下图(d) 所示。
滤波器的电容要有耐压高、 绝缘好、温度系数小和自 谐振频率高等特性。
36
下图(a)所示的滤波器结构最简单，接在干 扰源线间能衰减串模噪声；接在干扰源和 地线间能衰减共模噪声；接在印刷电路板 中的直流电源线和地线间能抑制电源噪声。
13
14
5.2 电磁干扰滤波器 5.2.1 电磁干扰滤波器的工作原理
电磁干扰滤波器的工作原理与普通滤波器一样， 它能允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止 其他干扰频率分量通过。其方式有两种：一种是 不让无用信号通过，并把它们反射回信号源；另 一种是把无用信号在滤波器里消耗掉。
5.2.2 电磁干扰滤波器的特殊性
共模噪声转化成差模噪声
从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于 线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。 可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。
9
在上图中，N为噪声源，L为负载，Z1和Z2是导线1 和导线2的对地阻抗。如果Z1 = Z2，则噪声电压
10
VN1和噪声电压VN2相等，从而噪声电流IN1 和IN2相 等，即噪声电流不流过负载。然而当Z1 ≠Z2 时， 则VN1 ≠ VN2，从而IN1≠IN2，于是VN1 - VN2= VN， VN /ZL＝IN (ZL为负载阻抗)，这是常模噪声。
5.1.3 按噪声波形及性质分类 持续正弦波
持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一 种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是50Hz 的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为 纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流 声，出现在视频影像信号中，为横条干扰。
偶发脉冲电压波形
这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽 度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分 断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性 不明显，在通信信号中，容易引起突发误码。
17
频率特性
滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能力的参数， 通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率 表示。
输入输出阻抗
从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤 波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择 滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。
插入损耗
描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入 损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的 定义是:
因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于 线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常， 输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共 模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多 为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、 接地和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕 共模噪声来研究其有效的抑制措施。
11
24
25
带通滤波器
带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用 于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。 带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电 磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下 图所示，其中ωC1和ωC2为截止频率。 它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接 收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通 信信号通过。
26
27
高通滤波器
在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低通滤波 器应用广泛，但也有用途。特别是这种滤波器一 直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制 特定的低频外界信号。设计高通滤波器时，均采 用倒转方法，凡满足倒转原则的低通滤波器可以 很方便地变成所需要的高通滤波器。倒转原则就 是将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容器， 而每一个电容器换成一个线圈，就可变成高通滤 波器。 高通滤波器用在干扰频率比信号频率低 的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤 除电源谐波造成的干扰。它的频率特性如下图所 示，其中ωC为截止频率。
18
V1 Lin 20 lg V2
式中：V1---信号源通过滤波器在负载阻抗上 建立的电压(V)； V2---不接滤波器时信号源在同一负载 阻抗上建立的电压(V)； Lin---插入损耗(dB)。
19
传输频率特性
滤波器最重要的是其传输频率特性，可用对数幅 频特性20lgA来表示。在抗干扰技术中又称为衰 减系数，即:
按滤波器对频率的选择性能来分类，则可分为低 通、高通、带通和带阻四种滤波器. 按频带来分，滤波器分为低频、高频、甚高频、 超高频和微波滤波器. 按网络中是否含有电源来分，滤波器分为有源和 无源滤波器。 按组成滤波器的元件特征来分，滤波器分为 LC 滤波器，晶体滤波器，机械滤波器，陶瓷滤波器， 螺旋滤波器等。 按滤波器的功能来分，滤波器分为反射滤波器和 损耗滤波器两类。